CN108133068A - 一种桁架式无人车辆车体轻量化设计方法 - Google Patents

一种桁架式无人车辆车体轻量化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种桁架式无人车辆车体轻量化设计方法，包括下述步骤：建立桁架式车体三维模型；建立梁单元有限元模型；建立垂向和纵向冲击载荷分析工况并进行分析；建立优化分析模型，并进行优化分析计算，以形成桁架式车体设计方案。本发明能快速完成桁架式车体轻量化设计流程，实现桁架式车体在拓扑形式、梁的截面类型、壁厚、材料的合理匹配，给桁架式车体在方案设计阶段提供最重要的指导。

Description

一种桁架式无人车辆车体轻量化设计方法
技术领域
本发明涉及车辆结构设计领域，具体涉及一种桁架式无人车辆车体轻量化设计方法。
背景技术
随着车用无人车辆在机动性能、侦察能力等多方面的不断提高，传统的装甲车体已经无法协调高强度和轻质量之间的矛盾，而混合材料的桁架式车体结构有望解决这一问题。这种结构充分利用了梁在不同受力、不同材料、不同尺寸的强度特性，从而在不降低整车刚强度的基础上，可大大降低车体质量。这种结构形式的车体设计，其核心技术在于拓扑结构、梁的截面类型、壁厚和材料这四个属性的最优匹配，简言之，即在合适的位置，用合适的梁，属于车身轻量化研究方向。然而针对这类型的车体，目前在军用车上少有见闻。
民用车辆在车身轻量化方面已取得一定的研究成果，但所得成果较难直接应用于军用无人桁架式车体设计上。
对于轿车，车身主要以钣金件为主，其轻量化研究的内容主要集中于材料与板厚在车身钣金件中的合理匹配，而轻量化目标侧重于碰撞性能。对桁架式无人车辆车体，它研制周期短，产量小，在进行桁架结构设计时，要尽可能的选择型材，省去复杂的模具开发，因此钣金件的轻量化技术较难直接用于梁型材式结构。另外军车行驶在越野路面，受冲击载荷大，因此研究侧重点是满足冲击载荷下的车体刚强度，而不侧重于碰撞性能。
对于货车，车架主要由两根主纵梁和一些横梁组成，出于经济性考虑，材料基本全为钢材，因而轻量化方面的研究主要集中在板厚的优化和连接方式的改进。而车车车体底部承载发动机和传动系统、顶部搭载打击武器、侧部可能加装披挂装甲，它在三个维度上都要求有足够的强度。因此，相对于货车车架的轻量化研究，在合适的位置，用合适的梁这一理念在无人车体的设计上将变得更为复杂。
对于客车，骨架由底架和厢体组成，其轻量化主要体现在底架用钢材，厢体用铝材。由于厢体受力小，同样出于经济性考虑，厢体骨架也都是用同一型号的梁围成。而桁架式无人车辆车体的每根梁的受力情况都与位置和总体布置相关，因此对于它的轻量化设计也更复杂。
另一方面，民用车体的优化方式的侧重点也不适用于桁架式无人车辆车体的轻量化设计。
(1)拓扑优化：以轿车为例，在开发新型车时，可参照对标车先进行拓扑优化。即给定设计空间，根据密度最优法得到拓扑优化结果。尽管该结果对整车结构设计有一定的帮助，但也有许多不足之处，一是优化出来的拓扑结构过于复杂，在直接指导车体三维结构设计方面参考性不大；二是所优化出的梁的截面特性不规则，不易实现工程化。对于无人车辆，由于没有驾驶员席位。发动机、动力电池、电机、驱动器等大尺寸、大质量的零部在车内布置的随意性很大，这也就使得车体结构的设计随意性很大。因此不可能像民用车那样依照对标车去快速地开发出新型车体，更不易采用拓扑优化得到梁去设计由型材构成的桁架式车体。
(2)形貌优化：形貌优化仅能优化小范围内的结构变动，因此适用于零件级的优化任务。而对于衍架式结构的车体，梁的位置变动都比较大，因此需要重新建立有限元模型再进行分析与优化，因此形貌优化也不适合。
(3)车体的有限元网格单元一般在几十万这一量级上，因此其优化速度都是相当慢的，即便使用近似模型进行的优化，也是想法耗时的。完全跟不上整车方案的变动速度。因此，针对桁架式无人军用车体的轻量化设计需要寻求合理而快速的求解方案。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种桁架式无人车辆车体轻量化设计方法，可快速完成衍架式车体轻量化设计流程，实现衍架式车体在拓扑形式、梁的截面类型、壁厚、材料的合理匹配。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种桁架式无人车辆车体轻量化设计方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：
(1)建立桁架式车体三维模型；
(2)建立梁单元有限元模型；
(3)建立垂向和纵向冲击载荷分析工况并进行分析；
(4)建立优化分析模型，并进行优化分析计算，以形成桁架式车体设计方案。
进一步地，所述步骤(1)中，依据总体布置，运用三维建模软件构建桁架式车体三维模型，所述桁架式车体三维模型包括车体承载所用的纵梁、横梁、连接梁、加强梁，以及相应的设备安装座；模型中的梁以型材为主，板材为铺，梁与梁、梁与板之间采用焊接、螺接、铆接的方式连接在一起。
进一步地，所述步骤(2)中，依照车体三维模型，建立桁架式车体的梁单元有限元模型，把车体所有的梁分成年n组，同一组中的梁具有相有的截面、厚度和材料属性。
进一步地，所述步骤(3)包括：基于垂向冲击载荷工况，约束车轮中心位置，给车体加载5g的垂向加速度，提取车体梁的最大应力值σzmax；基于纵向冲击载荷工况，约束车轮中心位置，给车体加1g的纵向加速度，提取车体梁的最大应力值σxmax。
进一步地，车体梁的最大应力值σzmax和σxmax值均小于该处梁所用材料的屈服极限和的70％。
进一步地，所述步骤(4)中，建立优化分析模型包括：
在iSight中搭建优化分析任务，以车体总质量m为目标，以n种梁的截面、厚度和材料属性为变量，以冲击载荷下的最大应力为约束条件，建立优化分析模型，由iSignt自动驱动有限元模型进行计算；所述优化模型如下式所示：
其中：m为车体总质量，k为n种梁第k个；
X，代表梁的种类个数；
Xk表示第k种梁，包含了梁的截面、厚度、材料这三个属性；
xk表示第k种梁可选的截面类型数列；
x1k表示第k种梁采用第1种截面类型；
x2k表示第k种梁采用第2种截面类型；
x3k表示第k种梁采用第3种截面类型；
tk表示第k种梁可选的厚度类型数列；
tk1表示第k种梁采用第1种厚度类型；
tk2表示第k种梁采用第2种厚度类型；
tk3表示第k种梁采用第3种厚度类型；
Mk表示第k种梁可选的材料类型数列；
M1k表示第k种梁采用第1种材料类型；
M2k表示第k种梁采用第2种材料类型；
M3k表示第k种梁采用第3种材料类型；
σzmax为给车体加载5g的垂向加速度的车体梁的最大应力值；σxmax为给车体加1g的纵向加速度的车体梁的最大应力值；和均为梁所用材料的屈服极限。
进一步地，所述步骤(4)，进行优化分析计算包括：
进行截面类型参变量xk、厚度类型变量tk和材料类型Mk的设置；
导入有垂向冲击工况和纵向冲击工况的有限元模型，并建立参变量与有限元模型输入参数的数学逻辑关系；
建立有限元模型输出量与约束量和的数学关系，最后设定优化目标和优化算法，提交优化任务；其中Isight软件将自动调用有限元模型，并计算出最终结果。
进一步地，所述形成桁架式车体设计方案之后，还包括：
根据车体总质量从优化结果中选取三个次优结果和一个最优结果作为四种优选方案；
根据车体总质量和加工制造工艺，从四种优选方案确定最佳方案；
对最佳方案进行刚强度校验，以确定桁架式车体设计方案。
进一步地，根据车体总质量从优化结果中选取四种优选方案，包括：
根据车体总重量m的大小筛选出车体总重量较轻的前四个优化结果作为四种优选方案；
进一步地：根据车体总质量和工程制造成本，从四种优选方案确定最佳方案，包括：
从四种优选方案中选定一种车体总质量m最小、工艺易实现的方案为最佳方案；
优选地，对最佳方案进行刚强度校验，包括：
基于最佳匹配方案，对其进行有限元建立和分析，验证优化分析的准确性；若有误，请检查并更改优化模型；若无误，则确定桁架式车体设计方案；
优选地，对确定的桁架式车体设计方案的细节进行修改，包括：在梁上开设安装孔，将梁的直角变为圆角，以最终完成桁架式车体设计方案的优化。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
本发明提供的桁架式无人车辆车体轻量化设计方法具有：
(1)车体的拓扑结构由设计人员完成；
(2)桁架式车体所采用的梁尽量全为现成的型材；
(3)桁架式车体的有限元模型应该以梁单元为主，减小计算量的同时，又可设定截面类型、壁厚和材料为设计变量，以供优化任务使用；
(4)使用专业优化软件自动完成优化计算；
(5)整个设计流程建模速度快、便于修改、计算时耗低，实现衍架式车体在拓扑形式、梁的截面类型、壁厚、材料的合理匹配，给桁架式车体在方案设计阶段提供最重要的指导。
附图说明
图1是本发明提供的某轮式无人车辆桁架式车体快速轻量化设计流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。
实施例
本发明提供一种桁架式无人车辆车体快速轻量化设计方法，实现桁架式无人车辆车体快速轻量化设计，其流程图如图1所示，包括下述步骤：
(1)建立桁架式车体的三维模型：
所述步骤(1)中，依据总体布置，运用三维建模软件构建桁架式车体三维模型，所述桁架式车体三维模型主要由型材梁构成。
(2)建立以梁单元主要的车体有限元模型：
所述步骤(2)中，依照车体三维模型，建立桁架式车体的梁单元有限元模型，所述梁单元有限元模型的车体采用12种类型的梁，即把车体所有的梁分成12组，同一组中的梁具有相有的截面、厚度和材料属性。12种类型的梁属性可根据材料库、专家库来定义，如表1所示。
表1 12种类型的梁属性
(3)建立车体的分析工况并进行有限元分析：
基于(2)以梁单元建立的车体有限元模型，分别进行垂向冲击工况分析和纵向冲击工况分析。对于垂向冲击载荷工况，约束车轮中心位置，给车体加载5g的垂向加速度，提取车体梁的最大应力值σzmax；对于纵向冲击工况，约束车轮中心位置，给车体加1g的纵向加速度，提取车体梁的最大应力值σxmax。车体梁的最大应力值σzmax和σxmax值均小于该处梁所用材料的屈服极限和的70％。
(4)建立优化分析模型：
在iSight中搭建优化分析任务，以车体总质量m为目标，以12种梁的截面、厚度和材料属性为变量，共计36个变量，以冲击载荷下的最大应力为约束条件，建立优化分析模型，由 iSignt自动驱动垂向冲击工况有限元模型和纵向冲击工况有限元模型，通过选择优化算法即可自动进行计算；优化模型如下式所示：
其中：m为车体总质量，k为12种梁；
X，代表梁的种类个数；
Xk表示第k种梁，包含了梁的截面、厚度、材料这三个属性(如每个属性有三种可选类型，则该种梁类有27种可选方案)；
xk表示第k种梁可选的截面类型数列；
x1k表示第k种梁采用第1种截面类型；
x2k表示第k种梁采用第2种截面类型；
x3k表示第k种梁采用第3种截面类型；
tk表示第k种梁可选的厚度类型数列；
tk1表示第k种梁采用第1种厚度类型；
tk2表示第k种梁采用第2种厚度类型；
tk3表示第k种梁采用第3种厚度类型；
Mk表示第k种梁可选的材料类型数列；
M1k表示第k种梁采用第1种材料类型；
M2k表示第k种梁采用第2种材料类型；
M3k表示第k种梁采用第3种材料类型；
σzmax为给车体加载5g的垂向加速度的车体梁的最大应力值；σxmax为给车体加1g的纵向加速度的车体梁的最大应力值；和均为梁所用材料的屈服极限。
(5)优化分析：
所述步骤(5)包括：进行优化计算，依据优化结果，由车体结构设计人员筛选出三个次优结果，结合最优结果，组成四种较优方案，接着引入整车性能、总体布置、工程制造、经济性其它因素，由总体人员从中选定一种最佳匹配方案，基于最佳匹配方案，对其进行有限元建立和分析，验证优化分析的准确性；若有误，请检查并更改优化模型；若无误，则形成桁架式车体的方案设计；
优化计算包括：
进行截面类型参变量xk、厚度类型变量tk和材料类型Mk的设置(如设置第一种梁的材料类型变量M1，可设置为M11＝1，M21＝2，M31＝3；)；导入有垂向冲击工况和纵向冲击工况的有限元模型，并建立参变量与有限元模型输入参数的数学逻辑关系；
建立有限元模型输出量与约束量和的数学关系，最后设定优化目标和优化算法，提交优化任务；其中Isight软件将自动调用有限元模型，最终得到最优的12组梁的截面类型、厚度、材料的最佳匹配方案。
(6)对最佳匹配方案进行检验，即再次对最佳匹配方案所得到的垂向冲击工况分析和纵向冲击工况分析。
(7)中完成桁架式车体设计方案，即最佳匹配方案如果通过了刚强度校验，则可确定该方案可行，接下来就是对细节的修改。如在梁上开一些小了安装孔，将梁的直角变为圆角等。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种桁架式无人车辆车体轻量化设计方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
(1)建立桁架式车体三维模型；
(2)建立梁单元有限元模型；
(3)建立垂向和纵向冲击载荷分析工况并进行分析；
(4)建立优化分析模型，并进行优化分析计算，以形成桁架式车体设计方案。
2.如权利要求1所述的桁架式无人车辆车体轻量化设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，依据总体布置，运用三维建模软件构建桁架式车体三维模型，所述桁架式车体三维模型包括车体承载所用的纵梁、横梁、连接梁、加强梁，以及相应的设备安装座；模型中的梁以型材为主，板材为铺，梁与梁、梁与板之间采用焊接、螺接、铆接的方式连接在一起。
3.如权利要求1所述的桁架式无人车辆车体轻量化设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，依照车体三维模型，建立桁架式车体的梁单元有限元模型，把车体所有的梁分成年n组，同一组中的梁具有相有的截面、厚度和材料属性。
4.如权利要求1所述的桁架式无人车辆车体轻量化设计方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：基于垂向冲击载荷工况，约束车轮中心位置，给车体加载5g的垂向加速度，提取车体梁的最大应力值σzmax；基于纵向冲击载荷工况，约束车轮中心位置，给车体加1g的纵向加速度，提取车体梁的最大应力值σxmax。
5.如权利要求4所述的桁架式无人车辆车体轻量化设计方法，其特征在于，所述车体梁的最大应力值σzmax和σxmax值均小于该处梁所用材料的屈服极限和的70％。
6.如权利要求1所述的桁架式无人车辆车体轻量化设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中，建立优化分析模型包括：
在iSight中搭建优化分析任务，以车体总质量m为目标，以n种梁的截面、厚度和材料属性为变量，以冲击载荷下的最大应力为约束条件，建立优化分析模型，由iSignt自动驱动有限元模型进行计算；所述优化模型如下式所示：
其中：m为车体总质量，k为n种梁第k个；
X，代表梁的种类个数；
Xk表示第k种梁，包含了梁的截面、厚度、材料这三个属性；
xk表示第k种梁可选的截面类型数列；
x1k表示第k种梁采用第1种截面类型；
x2k表示第k种梁采用第2种截面类型；
x3k表示第k种梁采用第3种截面类型；
tk表示第k种梁可选的厚度类型数列；
tk1表示第k种梁采用第1种厚度类型；
tk2表示第k种梁采用第2种厚度类型；
tk3表示第k种梁采用第3种厚度类型；
Mk表示第k种梁可选的材料类型数列；
M1k表示第k种梁采用第1种材料类型；
M2k表示第k种梁采用第2种材料类型；
M3k表示第k种梁采用第3种材料类型；
σzmax为给车体加载5g的垂向加速度的车体梁的最大应力值；σxmax为给车体加1g的纵向加速度的车体梁的最大应力值；和均为梁所用材料的屈服极限。
7.如权利要求1所述的桁架式无人车辆车体轻量化设计方法，其特征在于，所述步骤(4)，进行优化分析计算包括：
进行截面类型参变量xk、厚度类型变量tk和材料类型Mk的设置；
导入有垂向冲击工况和纵向冲击工况的有限元模型，并建立参变量与有限元模型输入参数的数学逻辑关系；
建立有限元模型输出量与约束量和的数学关系，最后设定优化目标和优化算法，提交优化任务；其中Isight软件将自动调用有限元模型，并计算出最终结果。
8.如权利要求1或7所述的桁架式无人车辆车体轻量化设计方法，其特征在于，所述形成桁架式车体设计方案之后，还包括：
根据车体总质量从优化结果中选取三个次优结果和一个最优结果作为四种优选方案；
根据车体总质量和加工制造工艺，从四种优选方案确定最佳方案；
对最佳方案进行刚强度校验，以确定桁架式车体设计方案。
9.如权利要求8所述的桁架式无人车辆车体轻量化设计方法，其特征在于，根据车体总质量从优化结果中选取四种优选方案，包括：
根据车体总重量m的大小筛选出车体总重量较轻的前四个优化结果作为四种优选方案。
10.如权利要求1所述的桁架式无人车辆车体轻量化设计方法，其特征在于：根据车体总质量和工程制造成本，从四种优选方案确定最佳方案，包括：
从四种优选方案中选定一种车体总质量m最小、工艺易实现的方案为最佳方案；
优选地，对最佳方案进行刚强度校验，包括：
基于最佳匹配方案，对其进行有限元建立和分析，验证优化分析的准确性；若有误，请检查并更改优化模型；若无误，则确定桁架式车体设计方案；
优选地，对确定的桁架式车体设计方案的细节进行修改，包括：在梁上开设安装孔，将梁的直角变为圆角，以最终完成桁架式车体设计方案的优化。
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